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First attempt at implementing LL(K); it doesn't work.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 2296e3fc010db71091e530b211c73ada05962f81..a5482b3aa95f7198938007c4be615c4e7a97e17d 100644 (file)
@@ -8,82 +8,120 @@ addsitedir(abspath('../../'))
 from sage.all import *
 
 
-def random_cone(min_dim=None, max_dim=None, min_rays=None, max_rays=None):
+def discrete_complementarity_set(K):
     r"""
-    Generate a random rational convex polyhedral cone.
+    Compute the discrete complementarity set of this cone.
 
-    Lower and upper bounds may be provided for both the dimension of the
-    ambient space and the number of generating rays of the cone. Any
-    parameters left unspecified will be chosen randomly.
+    The complementarity set of this cone is the set of all orthogonal
+    pairs `(x,s)` such that `x` is in this cone, and `s` is in its
+    dual. The discrete complementarity set restricts `x` and `s` to be
+    generators of their respective cones.
 
-    INPUT:
+    OUTPUT:
+
+    A list of pairs `(x,s)` such that,
 
-    - ``min_dim`` (default: random) -- The minimum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+      * `x` is in this cone.
+      * `x` is a generator of this cone.
+      * `s` is in this cone's dual.
+      * `s` is a generator of this cone's dual.
+      * `x` and `s` are orthogonal.
 
-    - ``max_dim`` (default: random) -- The maximum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+    EXAMPLES:
 
-    - ``min_rays`` (default: random) -- The minimum number of generating rays
-                                        of the cone.
+    The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
+    of pairs of standard basis vectors::
 
-    - ``max_rays`` (default: random) -- The maximum number of generating rays
-                                        of the cone.
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0), (0, 1)), ((0, 1), (1, 0))]
 
-    OUTPUT:
+    If the cone consists of a single ray, the second components of the
+    discrete complementarity set should generate the orthogonal
+    complement of that ray::
+
+        sage: K = Cone([(1,0)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0), (0, 1)), ((1, 0), (0, -1))]
+        sage: K = Cone([(1,0,0)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0, 0), (0, 1, 0)),
+          ((1, 0, 0), (0, -1, 0)),
+          ((1, 0, 0), (0, 0, 1)),
+          ((1, 0, 0), (0, 0, -1))]
 
-    A new, randomly generated cone.
+    When the cone is the entire space, its dual is the trivial cone, so
+    the discrete complementarity set is empty::
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        []
 
     TESTS:
 
-    It's hard to test the output of a random process, but we can at
-    least make sure that we get a cone back::
+    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
+    components of the complementarity set of the original cone::
 
-        sage: from sage.geometry.cone import is_Cone
-        sage: K = random_cone()
-        sage: is_Cone(K) # long time
+        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: K2 = K1.dual()
+        sage: expected = [(x,s) for (s,x) in discrete_complementarity_set(K2)]
+        sage: actual = discrete_complementarity_set(K1)
+        sage: actual == expected
         True
 
     """
+    V = K.lattice().vector_space()
 
-    def random_min_max(l,u):
-        r"""
-        We need to handle four cases to prevent us from doing
-        something stupid like having an upper bound that's lower than
-        our lower bound. And we would need to repeat all of that logic
-        for the dimension/rays, so we consolidate it here.
-        """
-        if l is None and u is None:
-            # They're both random, just return a random nonnegative
-            # integer.
-            return ZZ.random_element().abs()
+    # Convert the rays to vectors so that we can compute inner
+    # products.
+    xs = [V(x) for x in K.rays()]
+    ss = [V(s) for s in K.dual().rays()]
 
-        if l is not None and u is not None:
-            # Both were specified. Again, just make up a number and
-            # return it. If the user wants to give us u < l then he
-            # can have an exception.
-            return ZZ.random_element(l,u)
+    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
 
-        if l is not None and u is None:
-            # In this case, we're generating the upper bound randomly
-            # GIVEN A LOWER BOUND. So we add a random nonnegative
-            # integer to the given lower bound.
-            u = l + ZZ.random_element().abs()
-            return ZZ.random_element(l,u)
 
-        # Here we must be in the only remaining case, where we are
-        # given an upper bound but no lower bound. We might as well
-        # use zero.
-        return ZZ.random_element(0,u)
+def LL(K):
+    r"""
+    Compute the space `\mathbf{LL}` of all Lyapunov-like transformations
+    on this cone.
 
-    d = random_min_max(min_dim, max_dim)
-    r = random_min_max(min_rays, max_rays)
+    OUTPUT:
 
-    L = ToricLattice(d)
-    rays = [L.random_element() for i in range(0,r)]
+    A ``MatrixSpace`` object `M` such that every matrix `L \in M` is
+    Lyapunov-like on this cone.
+
+    """
+    V = K.lattice().vector_space()
+
+    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
+
+    matrices = [x.tensor_product(s) for (x,s) in C_of_K]
+
+    # Sage doesn't think matrices are vectors, so we have to convert
+    # our matrices to vectors explicitly before we can figure out how
+    # many are linearly-indepenedent.
+    #
+    # The space W has the same base ring as V, but dimension
+    # dim(V)^2. So it has the same dimension as the space of linear
+    # transformations on V. In other words, it's just the right size
+    # to create an isomorphism between it and our matrices.
+    W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
+
+    # Turn our matrices into long vectors...
+    vectors = [ W(m.list()) for m in matrices ]
+
+    # Vector space representation of Lyapunov-like matrices
+    # (i.e. vec(L) where L is Luapunov-like).
+    LL_vector = W.span(vectors).complement()
+
+    # Now construct an ambient MatrixSpace in which to stick our
+    # transformations.
+    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
+
+    matrices = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
+
+    return matrices
 
-    # We pass the lattice in case there are no rays.
-    return Cone(rays, lattice=L)
 
 
 def lyapunov_rank(K):
@@ -129,17 +167,18 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     REFERENCES:
 
-    1. M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper cone
-       and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
+    .. [Gowda/Tao] M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper
+       cone and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
        (2014) 155-170.
 
-    2. G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
+    .. [Rudolf et al.] G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
        optimality constraints for the cone of positive polynomials,
        Mathematical Programming, Series B, 129 (2011) 5-31.
 
     EXAMPLES:
 
-    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`::
+    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: positives = Cone([(1,)])
         sage: lyapunov_rank(positives)
@@ -147,23 +186,25 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: quadrant = Cone([(1,0), (0,1)])
         sage: lyapunov_rank(quadrant)
         2
-        sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
+       sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
         sage: lyapunov_rank(octant)
         3
 
-    The `L^{3}_{1}` cone is known to have a Lyapunov rank of one::
+    The `L^{3}_{1}` cone is known to have a Lyapunov rank of one
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L31 = Cone([(1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1), (0,1,1)])
         sage: lyapunov_rank(L31)
         1
 
-    Likewise for the `L^{3}_{\infty}` cone::
+    Likewise for the `L^{3}_{\infty}` cone [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
         sage: lyapunov_rank(L3infty)
         1
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L31 = Cone([(1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1), (0,1,1)])
         sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
@@ -171,8 +212,8 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(L31) + lyapunov_rank(octant)
         True
 
-    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank. The cone
-    ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
+    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank [Rudolf et al.]_.
+    The cone ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
     octant in `\mathbb{R}^{3}`::
 
         sage: K = Cone([(1,2,3), (-1,1,0), (1,0,6)])
@@ -180,7 +221,7 @@ def lyapunov_rank(K):
         3
 
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
         sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
@@ -188,32 +229,41 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     TESTS:
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones
+    [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K1 = random_cone(0,10,0,10)
-        sage: K2 = random_cone(0,10,0,10)
+        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: K2 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
         sage: K = K1.cartesian_product(K2)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
         True
 
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K = random_cone(0,10,0,10)
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
         True
 
+    The Lyapunov rank of a proper polyhedral cone in `n` dimensions can
+    be any number between `1` and `n` inclusive, excluding `n-1`
+    [Gowda/Tao]_ (by accident, this holds for the trivial cone in a
+    trivial space as well)::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: b = lyapunov_rank(K)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: 1 <= b and b <= n
+        True
+        sage: b == n-1
+        False
+
     """
     V = K.lattice().vector_space()
 
-    xs = [V(x) for x in K.rays()]
-    ss = [V(s) for s in K.dual().rays()]
-
-    # WARNING: This isn't really C(K), it only contains the pairs
-    # (x,s) in C(K) where x,s are extreme in their respective cones.
-    C_of_K = [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
+    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
 
-    matrices = [x.column() * s.row() for (x,s) in C_of_K]
+    matrices = [x.tensor_product(s) for (x,s) in C_of_K]
 
     # Sage doesn't think matrices are vectors, so we have to convert
     # our matrices to vectors explicitly before we can figure out how